变频器原理第2章

变频器原理与应用第2章电力电子器件教学重点晶闸管的结构、工作原理、导通条件、使用要求等。教学难点变频技术中常用的集成触发模块。电力电子器件是电力电子技术的核心，是电力电子电路的基础，同时也是变频技术的关键器件。本章讲述晶闸管的结构、工作原理、特性、主要静态及动态参数、选取原则及其触发、保护电路，全控型器件GTR、MOSFET、IGBT等新型功率开关元件的结构、性能及驱动、保护电路。2.1.1常用电力电子器件的类型1.按器件被控制信号所控制的程度分类1）不可控器件不可控器件不能用控制信号来控制其通断。如电力二极管（PowerDiode）器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定。2.1常用电力电子器件2）半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管Thyristor及其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定的。3）全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，故又称为自关断器件。如绝缘栅双极晶体管IGBT和门极可关断晶闸管GTO等。2.按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质分类1）电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。常见的有普通晶闸管、门极可关断晶闸管GTO等。2）电压驱动型通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断的控制。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件或场效应器件。常见的有功率场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等。3.按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类1）单极型器件只有一种载流子参与导电的器件，常见的单极型器件有功率场效应晶体管MOSFET和静电感应晶体管SIT。2）双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，常见的双极型器件有晶闸管（包括普通晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC、逆导晶闸管RCT、非对称晶闸管ASCR、功率晶体管GTR、门极可关断晶闸管GTO、静电感应晶闸管SITH。3）复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，一般是以普通晶闸管、GTR或GTO为主导元件，以MOSFET为控制元件复合而成的。常见的复合型器件有绝缘栅型双极型晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT以及功率集成电路。如图2-1所示为电力电子器件分类树。图2-1电力电子器件分类树2.1.2晶闸管的结构原理及测试晶闸管又称晶体闸流管或可控硅整流器SCR，包括普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。1.晶闸管的结构晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号，如图2-2所示。图2-2晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号2.晶闸管的工作原理为了说明晶闸管的导电原理，可按如图2-3所示的电路做一个简单的实验。图2-3晶闸管导通条件实验电路3.晶闸管的导通条件从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：（1）晶闸管阳极电路加适当的正向电压。（2）门极电路加适当的正向电压（实际工作中，门极加正触发脉冲信号），且晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用。晶闸管的双晶体管模型可以用一对互补三极管代替晶闸管的等效电路来解释，如图2-4所示。图2-4晶闸管的双晶体管模型按照上述等效原则，可将图2-4（a）中的结构图改画为图2-4（b）中的电路图，并用V1和V2管代替晶闸管。4.晶闸管的工作状态晶体管的特性是在低发射极电流下电流放大系数α很小，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。可以由此来说明晶闸管的几种工作状态：（1）正向阻断。（2）触发导通。（3）晶闸管关断。（4）反向阻断。其他几种可能导通的情况：（1）阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，即硬开通。（2）阳极电压上升率du/dt过高。（3）结温较高。（4）光直接照射晶体管硅片上，即光触发。5.晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性包括静态特性和动态特性。1）晶闸管的静态特性（1）晶闸管的阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图2-5所示。其中，第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性。图2-5晶闸管阳极伏安特性曲线（IG2IG1IG=0）（2）晶闸管门极伏安特性。晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性，如图2-6所示。图2-6晶闸管门极伏安特性①可靠触发区。指ADEFGCBA所围成的区域，对于正常使用的晶闸管元件，其门极的触发电压、电流及功率都应处于这个区域内。②不可靠触发区。指ABCJIHA围成的区域，见图2-6（b）。图中的放大区域表示在室温下对于同型号的晶闸管，在此区域内有些器件能被触发，而有些触发电压和电流较高的器件，触发是不可靠的。③不触发区。指OHIJO围成的区域。指任何合格器件在额定结温时，若门极信号在此区域内时，晶闸管均不会被触发导通。2）晶闸管的动态特性晶闸管开通和关断过程的波形图如图2-7所示。图2-7晶闸管开通和关断过程的波形（1）开通过程包括延迟时间、上升时间和开通时间。普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5μs，上升时间为0.5~3μs。（2）关断过程包括反向阻断恢复时间和正向阻断恢复时间。关断时间tq是反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和，即tq=trr+tgr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒，快速晶闸管的关断时间为几微秒到几十微秒。6.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数包括电压定额、电流定额、动态参数和门极参数等。1）电压定额电压定额包括断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态（峰值）电压、额定电压和通态平均电压等。（1）正向重复峰值电压。断态重复峰值电压UDRM是指在门极断开而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。（2）反向重复峰值电压。反向重复峰值电压URRM是指在门极断开而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。（3）通态（峰值）电压。通态（峰值）电压UTM是指晶闸管通以π倍的或某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减小器件损耗和发热的角度，应选用UTM较小的晶闸管。（4）额定电压。额定电压是指晶闸管的UDRM和URRM中较小值，再取相应的标准电压等级中较小的电压值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压UTM的2～3倍，即UTn≥（2～3）UTM，选取电压等级见表2-1。应注意选取晶闸管时要取标准等级中较大的。如在电路中承受的峰值电压为311V，取2～3倍为622～933V，则晶闸管的电压等级应选8级。表2-1晶闸管的电压标准等级级别正反向重复峰值电压/V级别正反向重复峰值电压/V级别正反向重复峰值电压/V11008800202000220099002222003300101000242400440012120026260055001414002828006600161600303000（5）通态平均电压UT（AV）。器件流过正弦半波的额定电流平均值而结温稳定且不超过额定值时，阳极、阴极间的电压降的平均值。实际当晶闸管流过较大的恒定直流电流时，其通态平均电压比元件出厂时定义的值要大，约为1.5V，见表2-2。表2-2晶闸管通态平均电压组别ABCDE通态平均电压/VUT（AV）≤0.40.4＜UT（AV）≤0.50.5＜UT（AV）≤0.60.6＜UT（AV）≤0.70.7＜UT（AV）≤0.8组别FGHI通态平均电压/V0.8＜UT（AV）≤0.90.9＜UT（AV）≤1.01.0＜UT（AV）≤1.11.1＜UT（AV）≤1.22）电流定额电流定额包括通态平均电流、擎住电流、断态重复峰值电流、反向重复峰值电流和浪涌电流等。（1）正向重复峰值电流。（2）反向重复峰值电流。（3）通态平均电流IT（AV）（额定电流）。晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，结温不超过额定结温且稳定时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，称为通态平均电流IT（AV）。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，应留一定的裕量，一般取1.5～2倍。在使用中还应注意，当晶闸管散热条件不满足规定要求时，则元件的额定电流应立即降低使用，否则元件会由于结温超过允许值而损坏。四种波形的Kf值与100A晶闸管允许电流的平均值见表2-3。表2-3四种波形的Kf值与100A晶闸管允许电流的平均值（4）维持电流IH。在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚好使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流称为维持电流IH，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。（5）擎住电流IL。在晶闸管加上触发电压，当晶闸管刚从断态转入通态就移除触发信号，此时能维持晶闸管导通所需的最小阳极电流，对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍。（6）浪涌电流ITSM。浪涌电流指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。浪涌电流是用来设计保护电路的。3）动态参数动态参数包括断态电压临界上升率、通态电流临界上升率和额定结温。（1）断态电压临界上升率du/dt。断态电压临界上升率是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加阳极电压最大上升率。（2）通态电流临界上升率di/dt。通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。（3）额定结温TJM。器件在正常工作时所允许的最高结温。在此温度下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。4）门极参数门极参数包括门极触发电流、门极触发电压。（1）门极触发电流IGT。室温下，在晶闸管的阳极、阴极间加上6V的正向电压，晶闸管由断态转为通态所必需的最小门极电流。（2）门极触发电压UGT。产生门极触发电流IGT所必需的最小门极电压。为了保证晶闸管的可靠导通，实际的触发电流常常比规定的触发电流大。常用晶闸管的参数，见表2-4。型号通态平均电流/A通态峰值电压/V断态正反向重复峰值电压/V断态正反向重复峰值电流/mA门极触发电压/V门极触发电流/mA断态电压临界上升率/(V/μs)推荐用散热器安装力/kN冷却方式KP55≤2.2100～2000≤8＜3＜60SZ14自然冷却KP1010≤2.2100～2000≤10＜3＜100250～800SZ15自然冷却KP2020≤2.2100～2000≤10＜3＜150SZ16自然冷却KP3030≤2.4100～2400≤20＜3＜20050～1000SZ16强迫风冷、水冷KP5050≤2.4100～2400≤20＜3＜250SL17强迫风冷、水冷KP100100≤2.6100～3000≤40＜3.5＜250SL17强迫风冷、水冷KP200200≤2.6100～3000≤40＜3.5＜350L1811强迫风冷、水冷KP300300≤2.6100～3000≤50＜3.5＜350L18B15强迫风冷、水冷KP500500≤2.6100～3000≤60＜4＜350100～1000SF1519强迫风冷、水冷KP800800≤2.6100～3000≤80＜4＜350SF1624强迫风冷、水冷KP10001000100～3000SS13KP15001000≤2.6100～3000≤80＜4＜350SF1630强迫风冷、水冷KP2000SS131500≤2.6100～3000≤80＜4＜350SS1443强迫风冷、水冷2000≤2.6100～3000≤80＜4＜350SS1450强迫风冷、水冷表2-4常用晶闸管的参数2.1.3功率晶体管功率晶体管（GiantTransistor，简称为GTR）也称为电力晶体管PTR，是一种具有发射极E、基极B、集电极C的耐高电压、大电流的双极型晶体管，有NPN和PNP两种结构，故又称为双结